发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

2021-05-07 15:51:20 来源:EETOP
最近,地球上有SpaceX 星舰原型机在忙着测试,火星上有NASA 机智号直升机在忙着起飞,中国天问一号绕火星择机降落。而太阳系边缘,也有目前飞得最远的人造探测器旅行者1 号(Voyager 1)在忙着传回数据。对这台正在星际空间摸索的探测器来说,每一天所见所闻都是全新体验。

NASA 于1970 年代发射的旅行者1 号与旅行者2 号,让科学家对太阳系边界有更深一层认识。2012 年6 月17 日NASA 公布,经过35 年飞行,旅行者1号已飞出太阳系边界日球层顶(Heliopause),成为首个离开太阳系的人造物体;2018 年11 月5 日,科学家再证实旅行者2 号遨游42 年后也飞出日球层顶,成第2个离开太阳系的人造物体,且这两台探测器分别沿不同方向离开太阳系。

这些年来,旅行者1 号一直以每秒17 公里的速度穿梭在宇宙中,每一年约与我们拉开3.5 天文单位距离,逐渐将太阳系抛在身后,然而根据最新发表的研究,它至今仍在将探测数据发送回地球。

 

▲太阳系边界。(Source:NASA)

我们都说星际空间充满星际介质,但那里其实是比想像中还要空旷稀疏的地方,即使在星际介质最稠密区域,分子数量都比地球海面上同体积内的分子数量低上兆倍,也因此,多数情况下旅行者1 号很安静,毕竟没遇上什么东西。但每隔几年,旅行者1 号就会发回些电浆和尘埃探测数据,此时便是科学家群起分析之际。

麻省理工学院天体物理学家Jon Richardson 团队最新研究就发现,太阳引力对旅行者1 号的影响仍远远超出日光层顶,可能迫使科学家重新思考太阳系边界的真实形状:标准观点认为日光层顶形状如彗星,一边呈现弧形而另一边较细长。

然而旅行者1 号在2020 年探测到周遭磁场强度出乎意料的跃升,如果星际空间磁场比预期值还大,可能会使其像紧身衣一样挤压日光层顶的膨胀与收缩,导致日光层顶看起来更加球形。

此外,Jon Richardson 团队此前曾从卡西尼号数据中发现高能中性原子,研究人员认为这些中性原子来自日球层顶附近,由于它们的数量与太阳黑子周期同步,且几乎同时在各个方向变化,当时结论便是日球层顶应该偏向圆形。

不过这种说法在其他科学家眼中尚有争议,比如天文学家NathanSchwadron 认为高能中性原子不一定来自日球层顶附近,且就算数量随着太阳周期跟着增加减少,其变化也仅是反映了日光层电浆变化,卡西尼号的数据并无法推敲出日球层顶形状。

太阳影响力可能比想像中大

究竟当太阳黑子变化时,日光层顶会跟着膨胀或收缩吗?还是维持稳定?无论日光层确切形状为何,旅行者1 号和旅行者2 号都只会继续远离,到今年年底,预计旅行者1 号将距离太阳155 个天文单位,飞船的信息以光速传播,也需要超过21小时才能到达我们手上;旅行者2 号离我们也将达129 个天文单位,且到了2023 年将超越已失联的先锋10 号,成为距离我们第二远的探测器。

旅行者1 号与旅行者2 号都可以检测到太阳爆发导致星际介质中的电子振荡时,所产生的无线电波,随着新的太阳周期预计于2025 年达到极大期,爆发事件将更加频繁,目前测量结果已表明探测器附近的星际介质密度增加,但是没人知道接下来还会发生什么事。

旅行者号的星际通信能力是如何实现的?

说了这么多,大家可能感兴趣,一个44年前的探测器,距离地球如此之远,是如何可以把信息传回地球的?以下的文章来自知乎,比较详细的解释了旅行者所用到的通信技术。

文章链接:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/93489373

作者:李海涛 李赞

旅行者1号于1977年9月5日发射,截止到2019年11月距离太阳约147个AU,并以每年3.579 AU 的速度远离太阳系。(1AU,即1个天文单位,约为1.5亿千米。)。旅行者2号于1977年8月20日发射,截止到2019年11月距离太阳约122个AU,并以每年3.234 AU 的速度远离太阳系,已经飞出了太阳系边缘,正在奔向更见遥远的星际空间。在“旅行者1号”和“旅行者2号”探测器发射的1977年,地球、木星、土星、天王星和海王星排列成一线(每176年出现一次,一次为期3年),为这次“大巡游”提供了机会。图1显示了“旅行者号”的早期任务阶段包括发射和地球到木星间的巡航以及行星任务(与木星、土星、天王星和海王星交会)阶段飞行路径。

发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

图 1 “旅行者”的飞行路径

目前,2个“旅行者号”探测器正在执行一项长期(1977-2025)的探测任务。它们在探索了外行星木星、土星、天王星、海王星之后,“旅行者”探测器到达了太阳系的边缘并正在飞向其最终目的地星际空间,它们现正在从未到达过的空间中飞行,不断书写NASA最成功最富创造性的星际探测传奇,其所处位置如图2所示。

发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

图2 旅行者1号和2号飞行方向示意图

发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

图3 旅行者1号探测器

“旅行者号”目前的任务阶段是星际任务,开始于1990年1月。星际任务对满足最近NASA在“空间科学计划”之“2000年战略规划”中制订的目标非常关键。自从2000年战略规划以来,其中一个目的是“了解太阳变化及其对太阳系的影响。“旅行者号”是唯一能够持续探测外日光层的探测器。2000年战略规划的另一个目的是“了解星系、恒星和行星的形成、互动以及进化”, 并“利用太阳系外部空间环境作为自然科学实验室,并走出太阳系的范围去探索太阳系附近银河系环境”。“旅行者号”是唯一处在能够进行这些星际环境探测的飞行器。“旅行者号”的长寿命使它们成为研究太阳风长期变化的理想平台。它们与太阳的距离使它们成为研究太阳风、爆发和宇宙射线的理想探测器。由于能够将其数据与地球轨道航天器(IMP8,WIN,ACE,SAMPEX)以及穿越黄道南北远端的“尤利西斯”数据作对比,大大增强了“旅行者”数据的理解。

如图4所示,每个“旅行者号”探测器载有以下设备:

  • 等离子光谱仪(PLS)用来测量等离子区离子的速度、密度和压力;
  • 低能带电粒子(LECP)试验测量几十KeV到MeV范围内的电子、质子和重离子;
  • 宇宙射线系统(CRS)测量3~30MeV范围内宇宙射线的电子和原子核能量;
  • 三轴磁门磁力计(MAG)测量行星和星际磁场强度;
  • 等离子波系统(PWS)测量射频电子密度分布图和等离子波—粒间相互作用;
  • 行星射电天文(PRA)实验研究来自木星和土星的无线电辐射信号;
  • 紫外线分光计(UVS)测量紫外线光谱中的大气特性;
  • 成像科学系统(ISS)包括一个窄角度、长焦距的相机和一个广角、短焦距相机;
  • 光偏振测量仪系统(PPS)采集排放强度数据,包括一个偏振器和一个滤波器,该滤波器用于220~730nm光谱范围内8个谱带中的1个;
  • 红外干涉分光计(IRIS)和辐射计测量行星、卫星和环局部和全局能量平衡以及垂直温度分布。
发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

图4  “旅行者”探测器和其科学设备

发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

注:HEF——高效率。

对 “旅行者号”的测控通信是由NASA深空网(DSN)负责,DSN由分布在全球按经度间隔接近120°分布的三处的深空站组成,分别位于美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉,深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室(JPL),如图5所示。NASA深空网是目前世界上能力最强、规模最大的深空测控通信系统,系统始建于1958年,1961年建成包括戈尔德斯通、澳大利亚伍墨拉和南非约翰内斯堡三个深空站的系统,1963年正式命名为深空网;之后在1965年新建了西班牙马德里和澳大利亚堪培拉两个深空站。直到1974年随着堪培拉和马德里站取代了伍墨拉和约翰内斯堡(NASA关闭了了两处设施),形成了目前的三站格局。

(1)戈尔德斯通深空站(北纬35°25′36″,西经116°53′24″),位于美国加州的莫哈维沙漠。目前在运行的有1个70m天线、3个34m波束波导(BWG)天线,正在新建1个34m BWG天线。

(2)马德里深空站(北纬40°25′53″,西经4°14′53″W),位于西班牙首都马德里以西60km。目前在运行的有1个70m天线,1个34m高效率天线,2个34m波束波导天线,另有2个34m波束波导天线在建。

(3)堪培拉深空站(南纬35°24′05″,东经148°58′54″),位于澳大利亚首都堪培拉西南40km。目前在运行的有1个70m天线,3个34m波束波导天线,有1个34m波束波导天线在建。

DSN所属的三个深空站全都能够跟踪“旅行者1号”。而“旅行者2号” 由于位于黄道遥远的南方,北半球站点是看不到的,只能通过堪培拉深空站的通信链路。表1显示加利福尼亚戈尔德斯通深空站两种不同尺寸的天线对于“旅行者1号”遥测数据率的限制,以及澳大利亚堪培拉深空站对“旅行者2号”遥测数据率的限制。至于西班牙马德里的第三个深空站,对“旅行者1号” 遥测数据率的限制同戈尔德斯敦站的相似。

发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

图5 美国NASA 深空网布局和组成

为了实现“旅行者号”任务极远距离的深空通信,当时的探测器和地面深空站都采用了很多通信新技术,并且在旅行者号任务实施的着四十多年的过程当中,地面也一直不断地通过采用新技术来提升远距离通信能力。

“旅行者号”通信的系统设计受 “水手-金星-水星” (1973 年发射)和“海盗轨道器”(1975 年发射) 通信系统影响很大。这两个以前的任务主要使用S频段上/下行链路系统,并进行了X频段试验。“旅行者号”任务设计的主要改进包括:

1)首次使用X频段而不是S频段作为主要的下行遥测链路;

2)采用双输出功率的X频段TWTA,最大发射功率18W,设计用来减小质量、使效率最大化,且工作时间超过50000h;

3)一个3.66m直径的天线,是1977年发射时的最大口径反射面天线;

4)用级联格雷+卷积编码的单通道遥测系统提供有效的数据传输,后来在轨升级为级联R-S+卷积编码。

在“旅行者号”任务的飞行过程中采用的新技术包括:

  • 图像压缩技术

在探测器同木星和土星交会之后,JPL完成了“旅行者号”的图像数据压缩(IDC)软件。项目组把软件加载到了探测器上的在轨备份数据子系统(FDS)计算机中,该计算机进行了重新配置,以执行这项任务。未压缩的“旅行者”图像包括800行,每行800个点(像素),每像素8bit(表示256级灰度中的一个)。然而,典型的行星或卫星图像中包含的大多数数据内容是黑色的太空或低对比度的云。通过计算相邻临像素灰度级别之间差别,而不是完整的8bit值,图像数据压缩能够将一幅典型图像的比特数减少60%而不会过度地丢失信息,这就减少了从天王星和海王星向地球传回一幅完整图像所需时间的60%。

  • 纠错编码

同其它深空链路一样,“旅行者号”的遥测链路受通信信道中噪声影响,改变了信道中所传输比特的量值,换句话说,产生了误码。纠错编码减少了接收输出的信息误码率。这种编码通过增加相关信息比特率增加了信号冗余。在木星和土星探测中使用的格雷编码算法要求每个发送的信息比特需要1bit的开销(开销为100%)。“旅行者”载有一个试验性的RS数据编码器,特别适用于天王星和海王星这种通信距离更远的任务阶段。新的RS编码方案减少到每5bit信息有1bit的开销(开销为20%),信息输出误码率由5×10-3减少到10-6。

  • DSN的 64m站升级到70m站

得益于“旅行者”计划最重要的DSN升级是64m站升级到70m站。70m站的升级通过移走旧金属面板和结构支架,然后安装全新的外部支撑结构和精密面板,面板表面可调整到亚毫米级精度。引入了全息对齐技术,用来保证准确的聚焦X频段射频信号。更大的表面面积和对齐及校正技术共同使每个70m站的信号强度提高了1.4dB。

  • DSN天线组阵

受益于“旅行者”计划第二项重要DSN升级是采用基带合成技术的多天线组阵系统。通过将70m天线同1个34m高效率(HEF)天线组阵,可使70m天线的性能增加0.8dB;将70m天线同2个34m天线组阵,可使70m天线的性能增加1.2dB。

  • DSN天线同非DSN天线组阵

为了与海王星交会时获取数据,“旅行者”计划调动了NASA/JPL管理的DSN以外的地面资源。同天王星交会时一样,DSN再次联手澳大利亚政府的Parkes 64m射电天文天线,该天线由联邦科学和工业研究机构(CSIRO)管理。DSN在堪培拉的70m和34m天线同Parkes 64m天线组成天线阵,其间用320km的微波链路相连[1]。

与海王星交会期间,用上述3个天线同时跟踪“旅行者”,DSN和Parkes射电天文台取得的合成信号强度基本正比于增加的组阵天线组合表面积。其它因素相同的情况下,DSN-Parkes组阵可以提供的比特速率双倍于单一70m的能力。

到目前为止针对海王星的最大信号强度提升是通过将新墨西哥州socorro附近的国家射电天文台(NRAO)甚大天线阵(VLA)的27个25m抛物面天线同加利福尼亚州戈尔德斯敦的70m DSN天线组成天线阵得到的。用VLA与70m天线组阵后接收到的信号功率(或者数据率能力)接近70m天线自身接收能力的3倍。1个70m天线,2个34m天线与VLA组成天线阵,提供的下行信号性能比单一70m天线多5.6dB,在比特率上几乎是4倍。

最后,与日本航天局JAXA合作,允许其臼田的64m天线用于星际交会日的非实时射电科学数据组合。

  • Block V 接收机

在20世纪90年代初期,DSN开发了一种软件接收机(BVR)。好处之一是BVR为“旅行者”提供抑制载波模式下工作的能力。通过将探测器激励器的相位调制指数改变为90°,不存在独立载波,所有能量都分配给调制的遥测副载波。

  • 系统噪声温度的改善

在2000到2001年期间,DSN在70m站用HEMT技术代替了需频繁维护的脉泽前置放大器并降低了前置放大器噪声温度。这两项改造使下行遥测性能增加了约0.5dB。从二十世纪90年代后期开始探测器远离地球的速度相当于每年性能降低0.5dB。因此,这两项改造将比特速率能力(同没有改造相比)延长了1~2年。

  • 新建34-m天线和组阵全频谱合成

DSN已经完成了所有三个深空通信设施的组阵能力升级,包括从基带组合发展到全频谱合成以及装备了更多的34m天线。全频谱合成技术使得“旅行者号”在通过终点激波、日鞘和太阳风层顶进入到广阔未知的星际空间后,仍然能够使用科学数据回放速率下传数据。更多可用的34m站减少了各项目对紧缺DSN资源的争夺, 从2013年开始,“旅行者”的日常的组阵是利用一对34-m天线组阵以160bit/s的速率接收每天的巡航遥测数据。

综合采用以上各种提高系统性能的方法,使地面接收“旅行者号”下行数据的码速率目前仍可以达到约150bps。虽然,在这种下传数据速率的情况下,获取探测数据仍然很慢,而且天地单向光行时达到约20h,但地面仍可以通过获取的有限且宝贵的科学探测数据,认识遥远太空的奥秘。

(附表为“旅行者2号”下行链路载波设计控制表,有兴趣的读者可以学习和尝试计算一下其链路性能。)

发射至今44 年,已飞出日球顶层,旅行者1号仍在回传数据

 

注:“旅行者2号”与海王星最接近时刻是在1989年8月25日。同Parkes的天线组阵早在3月份已经启用。在6、7、8这3个月,使用Parkes的天数多于不使用的天数。接近交会时,利用所有3个站点上的阵列,大多数时间能够近乎连续地接收到“旅行者2号”的下行信号。在堪培拉,就某次具体过境的组阵可以多达3个站,计划用的站包括:DSS-43、DSS45、DSS42和DSS49(Parkes的数字代号)。

  1. EETOP 官方微信

  2. 创芯大讲堂 在线教育

  3. 创芯老字号 半导体快讯

相关文章

全部评论

  • 最新资讯
  • 最热资讯
X